Wir haben schon beim Thema "Unter welchen Bedingungen können Reaktionen starten?" die Wirkungsweise eines sogenannten Katalysators im Zusammenhang mit der Aktivierungsenergie angesprochen.

Der Begriff leitet sich von dem griechischen Wort „katalysis“ ab und bedeutet so viel wie Auflösung. Im Chinesischen bedeutet das Wort Katalysator hingegen "Heiratsvermittler". Das ist kein Widerspruch:

Katalysatoren erleichtern es den Reaktanten alte Bindungen aufzugeben und neue Bindungen einzugehen.

Was leisten Katalysatoren nun genau:

• Sie setzen die Aktivierungsenergie herab.
• Sie beschleunigen Reaktionen auch dann, wenn sie nur in geringen Mengen vorliegen. Katalysatoren, die bei biochemischen Prozessen eine Rolle spielen, nennt man Enzyme. Sie bewirken, dass Reaktionen, die üblicherweise nur bei sehr hohen Temperaturen stattfinden, schon bei Körpertemperatur erfolgen können.
  
  Beispielsweise beschleunigt das Enzym Katalase den Zerfall von H₂O₂ um den Faktor 10⁷!
• Sie liegen nach der Reaktion, obwohl sie massiv in die Reaktion eingegriffen haben, in gleicher Menge und chemisch unverändert wieder vor. Das bedeutet aber nicht, dass sie sich nicht zwischenzeitlich verändern. Oft werden Zwischenstufen gebildet.

• Sie sind reaktionsspezifisch. Das bedeutet
  
  1. Sie sind wirkungsspezifisch. Das heißt, sie katalysieren nur eine von thermodynamisch mehreren möglichen Reaktionen
  
  2. Sie sind substratspezifisch. Das bedeutet, sie "erkennen ihren" umzusetzenden Stoff unter Tausenden von anderen Substanzen, sind also eine Art "molekulare Sonden".
  
  Durch Katalysatoren können also bestimmte Synthesen gezielt gesteuert werden. Katalysatoren können Reaktionen also auch selektiv steuern.

• Sie können auch "bremsende" Wirkungen haben. Dann nennt man den Katalysator jedoch Inhibitor.
• Sie nehmen an Kreisprozessen teil.

Wir kennen katalytische Prozesse aus dem Unterricht der Mittelstufe:

Alkoholische Gärung

Hefeenzyme setzen Fruchtzucker zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid um.

Kann ein Katalysator ein chemisches Gleichgewicht verschieben?

Während die Wirkungsweise eines Katalysators immer gleich ist, kann man hinsichtlich der Arbeitsweise eines Katalysators drei unterschiedliche Fälle feststellen:

• Heterogene Katalysatoren

Hierbei befindet sich der Katalysator in einer anderen Phase (Aggregatzustand) als die Reaktanten.

Beispiel:

Autokatalysator

Bei der heterogenen Katalyse spielen vor allem zwei Vorgänge eine außerordentlich wichtige Rolle: Die Adsorption (Anlagerung) eines Stoffes an den Katalysator und die Desorption (Ablösen) der entstandenen Produkte vom Katalysator. Es kommt daher, gerade bei diesen Katalysatoren, auf eine möglichst große Oberfläche an.

• Homogene Katalysatoren

Hierbei befinden sich sowohl der Katalysator als auch die Reaktanten im gleichen Aggregatzustand (Phase). Die Arbeitsphase eines solchen Katalysators ist viel effektiver als bei einer heterogenen Situation, da hier der Katalysator nicht nur an der Oberfläche wirken kann, sondern mit allen Katalysatormolekülen.

• Biokatalysatoren (Enzyme)
  

Enzyme sind Proteine, die an Stoffwechselprozessen beteiligt sind. An einem Enzym-Molekül können innerhalb einer Minute zwischen 100 und 10.000.000 Moleküle umgesetzt werden. Die Reaktionen laufen nur an bestimmten Stellen des Makromoleküls, den aktiven Zentren, ab. Die Enzyme sind räumlich so gebaut, dass nur ganz bestimmte Stoffe zu diesen aktiven Zentren gelangen können (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Enzyme können nur in einem bestimmten Temperatur- und pH-Bereich arbeiten.

Die Abgase eines modernen Verbrennungsmotors bestehen hauptsächlich aus

• Stickstoff (etwas über 72%)
• Wasserdampf (um 11%) und
• Kohlenstoffdioxid (um 12%).

Kraftfahrzeuge mit Benzinmotor besitzen einen so genannten geregelten Dreiwegekatalysator (G-KAT), der die drei problematischsten Schadstoffe (Stickstoffoxide, Kohlenstoffmonooxid unverbrannte Kohlenwasserstoffe) in unbedenkliche Stoffe wie Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser(dampf) durch Oxidation und Reduktion umwandelt. Der Vergaser eines Motors regelt die Luftzufuhr für die Verbrennung des Benzins. Die Lambda-Sonde des Dreiwegekatalysators misst den Sauerstoffanteil im Abgas und regelt die günstigste Kraftstoffzufuhr. Liegt zu viel Sauerstoff vor (mageres Gemisch), so ist die Reduktion gestört. Bei zu viel Kraftstoff (fettes Gemisch) ist keine vollständige Oxidation möglich.

Als Katalysator wird eine Platin-Rhodium-Legierung verwendet.

Der ab 1986 eingeführte Katalysator machte damals die Verwendung von bleifreiem Kraftstoff nötig, da Blei die katalytische Wirkung von Platin verhindert. Blei diente damals als Antiklopfmittel des Kraftstoffes.

Die Funktionsweise des Katalysators ist aber auch von der Temperatur der Abgase abhängig. Optimal arbeitet er bei ca. 600°C. Nach einem Kaltstart und bei sehr hohen Temperaturen (z.B. bei rasanter Autofahrt) laufen die Umsetzungen zu schadstoffarmen Produkten nur unvollständig ab.

Bei Dieselmotoren kann der G-Kat nicht verwendet werden, da der Sauerstoffüberschuss im Abgas die Reduktion des Stickstoffmonooxids verhindert. Stattdessen werden so genannte NO_x-Katalysatoren verwendet. Der erhöhten Rußbildung bei Dieselmotoren versucht man mit Hilfe von Dieselrußfiltern zu begegnet.

Reaktionen im Katalysator

Stickoxide

Die Luft, die vom Vergaser angesaugt wird, besteht bekanntlich hauptsächlich aus Stickstoff. Normalerweise ist Stickstoff reaktionsträge. Man sagt auch: Stickstoff ist ein inertes Gas. Bei den hohen Temperaturen im Motor allerdings reagiert der Stickstoff mit dem Sauerstoff der Luft zu verschiedenen Stickstoffoxiden.

Die bedeutensten Schäden durch Stickstoffoxide

Bei gemäßigtem Fahrstil reagiert Stickstoffmonooxid mit Kohlenstoffmonooxid (welches als Schadstoffgas ebenfalls im Motor entsteht) im Katalysator zu einem Großteil zu Stickstoff und Kohlenstoffdioxid, welche beide ja unbedenklich sind:

2 NO_(g)  + 2 CO_(g)  →  N_{2 (g)}  +  2 CO_2(g)

Kohlenstoffmonooxid

Bei den Verbrennungstemperaturen im Motor wird Benzin, das aus Kohlenwasserstoffen besteht, auch zu Kohlenstoffmonooxid umgewandelt.

Die bedeutensten Schäden durch Kohlenstoffmonooxid

Kohlenstoffmonooxid wird mit Hilfe des Katalysators in Kohlenstoffdioxid umgewandelt:

2 CO_(g)  + O_2(g)  →   2 CO_2(g)

Unverbrannte und teilverbrannte Kohlenwasserstoffe

Einige Stoffe des Benzins werden nicht vollständig verbrannt. Auf diese Weise entsteht Ruß. Die Rußbildung tritt vor allem beim Dieselmotor auf, da er bei niedrigeren Temperaturen und höherem Druck arbeitet. In diesem Zusammenhang spielt das Boudouard-Gleichgewicht eine entscheidende Rolle.

Die bedeutensten Schäden durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe

Der 3-Wege-Katalysator wandelt auch die unverbrannten oder teilverbrannten Kohlenwasserstoffe wie folgt um:

2 C₈H_18(g)  + 25 O_2(g)  →   16 CO_2(g)  +  18 H₂O_(g)       ΔH < 0

Neben diesen drei Schadstoffen entstehen aber auch noch andere bedenkliche Stoffe: Aldehyde (insbesondere Formaldehyd ist krebserregend) und Schwefeldioxid, welches auf den Sauren Regen Einfluss nimmt.

Selbstverständlich ist Kohlenstoffdioxid (Hauptprodukt bei der Verbrennung im Motor) als Treibhausgas ein generelles Problem.

Anhand des Vergleichs von Diesel- und Ottomotoren werden wir das Thema "chemisches Gleíchgewicht" im Hinblick auf das oben schon erwähnte Boudouard-Gleichgewicht erörtern und so einen Übergang zum nächsten Thema schaffen.

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[1] Quelle der Zahlen: NGK, www.ngk.de, am 15.02.15 abgerufen.